自古以來,人類對於蜜蜂的勤勞以及蜂巢的巧妙精準,無不讚揚有加。從生物學的祖師爺亞里斯多德 (Aristotle),到數學家 Pappus,以及近代的博物學家達爾文 (Darwin) 都曾留下讚美的語句。
工蜂分泌蜂蠟築成蜂巢,做為后蜂產卵、育幼,以及存放蜂蜜、花粉的儲藏室。從正面看起來,蜂巢是由許多正六邊形的中空柱狀儲藏室連結而成,參見圖八,讀者若具有實地見過蜂巢的經驗當然是最好。
圖八
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從整個立體的蜂巢來看,它具有左右(或前後)兩側的儲藏室.其截面如圖九;而圖十是一個柱狀的儲藏室,其底部是由三個全等的菱形面 ASBR、ASCQ與 PBSC 所組成。
圖九
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圖十
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人類對於蜂巢的結構,由觀察產生驚奇,進而提出兩個數學問題:
- (i)
- 為何是正六邊形?
- (ii)
- 底邊為何是三個全等的菱形面組成?
下面我們就來探索這兩個問題。
第一個問題涉及古老的等周問題 (isoperimetric problem):即在平面上,要用固定長的線段圍成一塊封閉的領域,使其面積為最大,問應如何圍法?
這個問題又叫做 Dido 問題。在古希臘傳說中,Dido 公主(建立迦太基的女王)憑她的直覺提出正確的答案:圓。不過,要等到兩千多年後的十九世紀,透過變分學 (calculus of variation) 的研究,才有真正嚴格的證明。
對於等周問題,古希臘數學家 Zenodorus(約180 B.C.)已經證得下列的結果:
- (i) 在所有 n 邊形中,以正 n 邊形的面積為最大,並且邊數越多,面積也越大;
- (ii) 圓的面積比任何正多邊形的還要大。
另外一方面,古埃及人已經知道,用同一種形狀與大小的正多邊形舖地,恰好只有三種樣式,參見圖十一。
圖十一
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即只能用正三角形,正方形與正六邊形三種情形,再沒有其他的了。這是三角形三內角和為 180°的簡單推論。
蜜蜂分泌蜂蠟築巢,從橫截面來看,這相當於是用固定量的蠟,要圍成最大的面積,這是等周問題。由 Zenodorus 的結果,再配合上述舖地板只有三種樣式,所以蜜蜂只有正三角形、正方形與正六邊形三種選擇,而蜜蜂憑本能選擇了最佳的正六邊形。換言之.蜜蜂採用「最經濟原理」來行事。
亞歷山卓 (Alexandria) 的幾何學家 Pappus,約在西元300年出版一套八冊的《數學文集》(Mathematical Collection),其中第五冊討論等周問題及蜂巢結構問題。他特別稱讚蜜蜂「依本能智慧作論證」(reason by instinctive wisdom) 的本領,天生俱有的「某種幾何的洞悟力」(a certain geometrical foresight)。
其次,我們探討蜂巢的第二個問題,即每個儲藏室 (cell) 底部的幾何結構。這個問題比較困難。
我們觀察蜂巢的一個儲藏室,它是中空的正六角形柱,而底部是由三個菱形面組成,交會於底部中心頂點 S(見圖十二)。讓我們先回顧一段歷史。
圖十二
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在1712年,巴黎天文觀測所的天文學家 G.F. Maraldi,他實際度量菱形的角度,得到的結果是 70°32' 與 109°28',見圖十二。Maraldi 實地叩問自然,並且相信蜜蜂是根據單純 (simplicity) 與數學美 (mathematical beauty) 兩個原理來築巢。
Maraldi 的結果引起法國著名的博物學家 Reaumur 的興趣,他猜測蜜蜂選擇這兩個角度一定是有原因的,可能就是要在固定容積下,使得表面積為最小,即以最少的蜂蠟作出最大容積的儲藏室。因此,Reaumur 就去請教瑞士年輕的數學家 Samuel König 如下的問題:
給定正六角形柱,底部由三個全等的菱形作成,問應如何做會最節省材料?
Reaumur 並沒有告訴 König 這個問題是由蜂巢引起的。
一直等到 König 把算得的結果 70°34" 與 109°26" 送到 Reaumur 的手裡,Reaumur 才告訴 König 關於蜂巢與 Maraldi 的實測結果。他們對於理論與實測的結果僅相差 2",同感震驚。König 的結果支持了 Reaumur 的猜測:蜜蜂是按「最經濟原理」來行事。König 利用微分法解決上述的極值問題,他說:「蜜蜂所解決的問題,超越古典幾何的能力範圍,而必須用到 Newton 與 Leibniz 的微積分。」然而,一代博學者 Fontenelle(法國科學院永久秘書)在1739年卻作出著名的判斷,他否認蜜蜂具有智慧,認為蜜蜂只是按照天生自然與造物者的指示,「不知亦能行」地(盲目地)使用高等數學而已。
關於 König 的相差2分問題,後來經過 Cramer、Boscovich、Maclaurin 等人的重算,發現蜜蜂是對的,錯在 König,而 König 所犯的小錯又出在計算 時,所使用的數值表印錯了一個數字。
下面我們就來求解 Reaumur 對 König 所提出的極值問題。
考慮圖十三的正六角形柱,在 A、C、E 處分別用平面 BFM、BDO、DFN 截掉三個相等的四面體 ABFM、CDBO、EDFN,見圖十四,使得變成圖十五。三個平面 BFM、BDO、DFN 延伸交於頂點 P,見圖十六。從圖十三變成圖十六,所截掉的體積恰好等於所補足的體積。因此,圖十三與圖十六的體積相等,但是,兩者的表面積卻不相等。
圖十三
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因此,原極值問題等價於,在容積固定下,求最小表面積。蜂巢一個儲藏室的表面(圖十六)是由六個梯形(BMGH 等等)與三個菱形組成的。在圖十四中,設AB=a,BH=h,AM=x(x 是變數),則由餘弦定律與畢氏定理可求得菱形PBMF 的對角線
今每個菱形的面積為
每個梯形的面積為
,所以一個儲藏室的總表面積為
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(5) |
由微分法,令 A'(x)=0 得
解得
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(6) |
利用二階微分,容易驗知
確是極小點。在
之下,進一步令菱形的銳角
,則
從而
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(7) |
-
- 習題:
在圖十六中,令 α 表示對角線 PO 與中心軸 PQ 之交角,試證一個儲藏室的總表面積為
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(8) |
再解 ,得
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(9) |
所以
註:我們也可以利用(6)式,再配合圖十六,推得(9)式。
對於一個初等的極值問題,要用到微分法來處理(殺雞用牛刀),令人不滿意。於是有人,例如 Maclaurin(1743)、L'Huillier(1781),開始尋求初等的、簡單的代數與幾何解法。
- (i)代數的配方法
我們注意到,在上述的解法中,其實都跟 a 與 h 無關,所以我們不妨從頭就假設 a=1。於是(5)式變成
由於 6h 是常數,故只需求
之最小值。令
兩邊平方,再化簡得
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(10) |
對右項配方,再化簡得
因此,當 y=6x 時,y 有最小值
,從而
得到跟 (6)式相同的答案(a=1)。
- (ii)二次方程的判別式法
由(10)式得
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(11) |
看作是 x 的二次方程式。因為 x �甯偎篥ヾA故(11)式的判別式
整理化簡得
於是 y 的最小值為
,以
代入(11)式得
達爾文稱讚蜂巢為「在已知的僅憑本能的建構中是最令人驚奇的成就」。他又說:「欲超越這樣完美的建構,自然選擇 (natural selection) 是不能達成的,因為就我們所見,蜂巢不論是在勞動力上或蜂蠟的使用上,都符合最經濟的原則,是絕對地完美。」
在大自然中,除了蜜蜂遵行「最小原理」之外,還有荷葉上的水珠,校園草地出現的人行道,光的 Heron 最短路徑原理與 Fermat 的最短時間原理等等,這不禁使我們要猜測,大自然是按著某種「最小原理」來運行的。
在十七世紀,Leibniz 從哲學上論證「這是所有可能世界中最好的一個世界」(the best of all possible worlds)。物理學家終於在十八、十九世紀找到了動力學的「最小作用量原理」(the principle of least action),成為數理科學中最美麗的成就。
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